(57)【要約】      （修正有）【課題】アーク放電を発生させずに、大気圧下で効率良くプラズマを生成することができ、ガスの殺菌や改質等を行うことができるプラズマ生成装置を提供すること。【解決手段】リング状または円筒状電極６と、針状電極７と、直流高電圧源８とを有し、リング状または円筒状電極６と針状電極７との間に直流高電圧源８による所定の電圧を印加することによって、リング状または円筒状電極６と針状電極７との間に放電を発生させ、該放電位置に作動ガスを通過させてプラズマを生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状または円筒状電極と、針状電極と、高電圧源とを有し、前記リング状または円筒状電極と前記針状電極との間に前記高電圧源による所定の電圧を印加することによって、前記リング状または円筒状電極と前記針状電極との間に放電を発生させ、該放電位置に作動ガスを通過させてプラズマ化することを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項２】
前記針状電極が、前記リング状または円筒状電極の中心軸上の位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ生成装置を複数備えてなることを特徴とするマルチ型のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記高電圧源が、乾電池と、前記乾電池の電圧を高圧に変換する高圧発生器とからなることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
前記プラズマ化した作動ガス中の不要物を吸引するイオン除去装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】
前記プラズマ化した作動ガス中のオゾンを分解するオゾン分解手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉された真空環境などではなく、大気圧の環境下でプラズマを生成するプラズマ生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマの生成は密閉された真空環境で行われていた。このため、プラズマの応用分野も限られてしまう。このため、最近では大気圧の環境下でプラズマを生成する要望が増えてきている。
【０００３】
大気圧の環境下で生成されるプラズマによれば、たとえば対象物であるガスを殺菌したり、改質したりすることが可能であり、様々な用途が考えられる。
【０００４】
ところで、大気圧の環境下でプラズマを生成する方法としては放電を利用することが知られており、たとえば特許文献１にはその一例が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載の発明では、スタッド形状の電極とその周囲を覆うケーシング（接地電位）との間でアーク放電を発生させ、この放電路に対して作動ガスを吹き込ませて、その作動ガスのプラズマを発生させる技術について開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−６８２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の発明のように、従来のプラズマ生成装置では、電極間にアーク放電を発生させ、その熱によって作動ガスを分解しプラズマを生成するようにしていた。
【０００８】
ところが、従来のように、作動ガス分解のためにアーク放電を用いる場合には、大電流を必要とし、消費電力量が大きく、熱で作動ガスを分解するため余分なエネルギーを浪費してしまうし、プラズマ生成のために多くの熱量を発生し、経時的な電極溶解の進行も早いという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、アーク放電を発生させずに、大気圧下で効率良くプラズマを生成することができ、ガスの殺菌や改質等を行うことができるプラズマ生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため、リング状または円筒状電極と、針状電極と、高電圧源とを有し、前記リング状または円筒状電極と前記針状電極との間に前記高電圧源による所定の電圧を印加することによって、前記リング状または円筒状電極と前記針状電極との間に放電を発生させ、該放電位置に作動ガスを通過させてプラズマ化することを特徴とするプラズマ生成装置。
【００１１】
また本発明は、前記針状電極が、前記リング状または円筒状電極の中心軸上の位置に設けられたことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、請求項１または２に記載のプラズマ生成装置を複数備えてなることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記高電圧源が、乾電池と、前記乾電池の電圧を高圧に変換する高圧発生器とからなることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記プラズマ化した作動ガス中の不要物を吸引するイオン除去装置をさらに備えたことを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記プラズマ化した作動ガス中のオゾンを分解するオゾン分解手段をさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アーク放電を発生させずに、大気圧下で効率良くプラズマを生成することができ、ガスの殺菌や改質等を行うことができるプラズマ生成装置を提供することができる。
【００１７】
すなわち本発明によれば、従来のように作動ガス分解のために（大電流を必要とする）アーク放電を用いないので、消費電力量が小さいという効果を奏することができる。また、熱で作動ガスを分解しないので余分なエネルギー浪費がないし、プラズマ生成のために多くの熱量を発生することもないし、電極溶解のおそれもない。
【００１８】
また、本発明のプラズマ生成装置の放電で生成されるプラズマ中には多くの高エネルギー電子が存在し、プラズマによる殺菌とともに、放電によって大量のオゾンが生成されるので、オゾンによる殺菌も同時にできる。この両者の殺菌作用によって、より高効率の殺菌ができるので、ＳＡＲＳなどの病原菌の殺菌に大変有効であり、たとえば病院内の空気清浄機として応用することもできる。また、殺菌に使用したオゾンはその後、オゾン除去手段によって除去することもできる。
【００１９】
また本発明によれば、小電力で大容量のプラズマが大気中で生成できるので、物体の清掃、研磨、蒸着や気体の改質など、多方面への応用ができる。
【００２０】
また本発明によれば、放電を用いるので、後処理の問題がなく、装置がきわめて簡単であり、工業的価値が高いという効果もある。
【００２１】
また本発明によれば、製作が簡単であり、わずかな材料で装置が作れる。
【００２２】
また本発明によれば、不平等電界によるグローコロナ放電でプラズマを生成するので、小電力で済む。
【００２３】
また本発明によれば、入力電圧がたとえば３Ｖ程度と低くて済むので、たとえば自動車の排気管などどこにでも設置できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の一実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略斜視図である。
【００２６】
本実施の形態のプラズマ生成装置１は、円筒管であるケーシング２内に円板３および４を設け、ケーシング２内の円板３および４の位置や円板３と円板４との間隔を位置決め手段であるネジ棒５にて固定して構成される。
【００２７】
円板３は、絶縁体のたとえばアクリルの円板であり、本実施の形態では５つの貫通孔３ａが設けられ、その貫通孔３ａのそれぞれに嵌るように５つのリング状の電極６が設けられている。
【００２８】
円板４は、円板３と同様に、絶縁体のたとえばアクリルの円板であり、本実施の形態では４つの貫通孔４ａが設けられ、その貫通孔４ａとは別の位置に、５本の針状の電極７が設けられている。
【００２９】
リング状電極６と針状電極７との間には直流電源回路８による直流電圧が印加される。本実施の形態では、直流電源回路８は、電源プラグ８ａから供給される交流電圧１００〜２００Ｖを受け、リング状電極６を陰極、針状電極７を陽極とし、このリング状電極６と針状電極７との間に直流電圧１０ｋＶ、電流０．１ｍＡの電力供給を行う。なお、ここでは直流電圧を印加するようにしているが、本発明はこれに限らず、直流、交流、パルスなど、どのような電圧であってもかまわない。これは以下のどの実施の形態においても同様である。
【００３０】
円板４においては孔４ａにて貫通し、円板３においては孔３ａにて貫通しており、これら貫通孔４ａおよび３ａを通って図１に矢印にて示す方向に作動ガスが流れてケーシング２内を通過する。すなわち、図１においてはケーシング２の右側が作動ガスの入口であり、左側が出口である。
【００３１】
５本の針状電極７のそれぞれは、５つのリング状電極６のそれぞれに対向して設けられ、各組み合わせにおいてリング状電極６の中心軸上に針状電極７が位置するよう、円板３と円板４とがネジ棒５にて固定される。このネジ棒５によれば円板３と円板４との間隔を調整することも可能である。なお、ここでは、リング状電極６の外側に針状電極７が位置するようにしているが、本発明はこれに限らず、リング状電極６の外側に針状電極７が位置するようにしてもよい。これは以下のどの実施の形態においても同様である。
【００３２】
針状電極７はたとえば直径１ｍｍのイリジウム合金、タングステンまたはステンレス等の針形状部材であり、リング状電極６はたとえば内径８ｍｍ、外径１０ｍｍのステンレス等のリング形状部材である。
【００３３】
ケーシング２の材質は各電極から絶縁されていればＳＵＳ（ステンレス）などの金属でもよいし、アクリルなどの樹脂であってもよい。ネジ棒５も同様に、各電極から絶縁されていればＳＵＳ（ステンレス）などの金属でもよいし、アクリルなどの樹脂であってもよい。
【００３４】
本実施の形態では、リング状電極６は接地され、針状電極７には抵抗器（安定抵抗、保護抵抗）を介して直流電源回路８による直流電圧が印加され、この針状電極７とリング状電極６との間にグローコロナ放電が発生する。
【００３５】
このように針状電極７とリング状電極６との間に放電電圧が印加され、放電が発生している状態のときに、図１に矢印で示すように作動ガスを注入すると、この作動ガスが針状電極７とリング状電極６との間に生じた放電路を通過し、作動ガスはプラズマ化される。
【００３６】
図２は、図１に示した５つの針状電極７とリング状電極６との組み合わせのうちの１つによって電気力線の様子を示す概略側面図である。
【００３７】
図２に示すように、本実施の形態によれば、針状電極７の先端からリング状電極６の円周に向けて電気力線９が発生する。
【００３８】
この電気力線９は針状電極７から垂直に放射されるために、図２に示すように、針状電極７の近傍では電気力線９は湾曲し、ふくらみを形成する。
【００３９】
また、針状電極７の近傍では電気力線９が集中して電界も強くなるが、リング状電極６に近づくにつれてリング状電極６の円周に向けて電気力線９が広がり電界も弱くなる。このような電気力線９の広がりによって、本実施の形態では、針状電極７とリング状電極６との間に流れる電流を極力小さくすることができ、消費電力を低減することができる。
【００４０】
図１に示したケーシング２の入口から流入した作動ガスは、円板４の孔４ａを通過し、さらに、電気力線９が作る電界を通過した後に、円板３の孔３ａを通過し出口から流出する。作動ガスが電気力線９による電界を通過する際、そのガスは陰極放電で電離される。この作用によって、ガスの殺菌、改質を行うことができる。
【００４１】
図３は、図１に示した針状電極７とリング状電極６との間に印加する印加電圧と、針状電極７とリング状電極６との間の放電電流との関係を示す放電電流特性の図であり、横軸が印加電圧を示し、縦軸が放電電流を示す。
【００４２】
この図３に示す特性は、針状電極７とリング状電極６との組み合わせが５つであり、それぞれにおいて、針状電極７とリング状電極６との距離は１０ｍｍ、針状電極７の直径は１ｍｍ、リング状電極６の直径は内径が８ｍｍ、外径が１０ｍｍとして測定したものである。
【００４３】
図３に示すように、放電は印加電圧８．９ｋＶ程度で急激に始まり、電圧とともに電流が増加し、１０．９ｋＶで最大の電流（ここでは０．０６〜０．０９ｍＡ程度）となる。この領域がグローコロナ放電であり、本実施の形態のプラズマ生成装置１はこの領域で駆動するのが望ましい。
【００４４】
この放電の電力は０．６５４〜０．９８１Ｗ程度であり、作動ガスとしての空気（主に窒素）プラズマの容積は１．３１ｃｍ３とすることができる。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００４６】
図４は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略側断面図である。
【００４７】
本実施の形態のプラズマ生成装置１１は、円筒管であるケーシング１２内に、作動ガスの流れを中心に向けるためのガス絞込管１３と、円筒状の電極１４と、棒状の電極１５とを備えて構成される。
【００４８】
ガス絞込管１３は、先端が細った円錐状の形状であり、その材質はアクリル等の樹脂でもよいし、ＳＵＳ（ステンレス）等であってもかまわない。流入させるガスは、たとえば空気中にＳＯＸ、ＮＯＸ、ＸＯ２、スス等を含むものであってよい。本実施の形態によればこのガスの殺菌、解離等を行うことができる。
【００４９】
円筒状電極１４はケーシング１２の内面にて支持され、棒状電極１５は支持蓋１６によって支持される。支持蓋１６には作動ガスを流入させるための穴が開けてあり、また、中心に棒状電極１５を指示する支持部を有している。
【００５０】
ケーシング１２は、たとえば外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍのアクリル管であり、棒状電極１５は、たとえば直径１ｍｍ、長さ３０ｍｍのＳＵＳ（ステンレス）−インジウム合金棒であり、円筒状電極１４は、たとえば外径１０ｍｍ、内径８ｍｍ、長さ１５ｍｍのＳＵＳ（ステンレス）管である。
【００５１】
円筒状電極１４と棒状電極１５との間には、高圧発生器１７からの高電圧が印加される。高圧発生器１７は、たとえば直流３Ｖの電池である電源１８からの電圧を高圧に変換して円筒状電極１４と棒状電極１５との間に供給するものであり、たとえばイグナイター、イグニッションコイルによって構成される。この高電圧はたとえばパルス状のものである。
【００５２】
このように本実施の形態のプラズマ生成装置１１は、円筒状電極１４と棒状電極１５との間に高圧発生器１７による高電圧を印加し、電極間の不平等電界によってグローコロナ放電を生じさせる。支持蓋１６の方から矢印の方向に流入する作動ガスは、この放電によってプラズマ化される。
【００５３】
プラズマ生成装置１１内に支持蓋１６の方から流入した作動ガスは、ガス絞込管１３によって、棒状電極１５の先端の近傍の強電解部分に収束するようにされ、この強電界部分によってガスは効率よくプラズマ化される。これによってたとえば有毒ガスのプラズマ化、殺菌を行うことができる。プラズマ化されたガスはケーシング１２の図４での左側から排出される。
【００５４】
この本実施の形態によれば電池などの低電圧を用いてプラズマの生成を行うことができ、簡単な電源で、且つ低消費電力で実現することができる。
【００５５】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。この実施の形態では、複数の放電管を設け、これらによってプラズマを生成し、このプラズマ化によってたとえば自動車の排気ガスから有害物質等の不要物を除去するようにしている。
【００５６】
図５は、本発明の第３の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略部分断面斜視図である。
【００５７】
本実施の形態のプラズマ生成装置２１は、円筒管であるケーシング２２内に、複数（本実施の形態では５本）の放電管２４と、放電管２４のそれぞれを支持する円板２３と、網状の電極を円筒状に形成したメッシュ状電極２６と、棒状電極２７とを設けて構成される。
【００５８】
このプラズマ生成装置２１は、自動車の排気管２０に取り付けられ、排気ガスの有害物質等の不要物を除去して排出するものである。
【００５９】
円板２３は、絶縁体のたとえばアクリルの円板であり、本実施の形態では５つの貫通孔２３ａが設けられ、その貫通孔４ａによって放電管２４のそれぞれが支持されている。
【００６０】
放電管２４のそれぞれは、図４に示したプラズマ生成装置１１と同様の構成であり、少なくとも棒状電極２４ａと円筒状電極２４ｂとを有して構成され、棒状電極２４ａと円筒状電極２４ｂとの間に電圧を印加すると図４に示したのと同様な電界が形成される。
【００６１】
棒状電極２４ａと円筒状電極２４ｂとの間には、高圧発生器２８からの高電圧が印加される。高圧発生器２８は、たとえば直流３Ｖの電池である電源２９からの電圧を高圧に変換して棒状電極２４ａと円筒状電極２４ｂとの間に供給するものであり、たとえばイグナイター、イグニッションコイルによって構成される。
【００６２】
このように本実施の形態のプラズマ生成装置２１の放電管２４のそれぞれは、棒状電極２４ａと円筒状電極２４ｂとの間に高圧発生器２８による高電圧を印加し、電極間の不平等電界によってグローコロナ放電を生じさせ、排気管２０の方から矢印の方向に流入する作動ガスすなわち排気ガスは、この放電によってプラズマ化される。この排気ガスは、たとえばＮＯＸ、ＳＯＸ、ＣＯ２、ＣＯ、スス等を含む。
【００６３】
また本実施の形態のプラズマ生成装置２１は、メッシュ状電極２６および棒状電極２７を有し、メッシュ状電極２６と棒状電極２７との間に高圧発生器２８による高電圧を印加し、これにプラズマ化されたガス中の有害物質等を吸着させる。この点について図６を参照してさらに説明する。
【００６４】
図６は、図５に示した実施の形態において、メッシュ状電極２６や棒状電極２７に有害物質等を吸着させる状態を説明する概略側面図である。
【００６５】
放電管２４に流入する排気ガスは、上述のようにたとえばＮＯＸ、ＳＯＸ、ＣＯ２、ＣＯ、スス等を含む。この排気ガスは放電管２４内にてプラズマ化され、ＮＯＸ＋、ＳＯＸ＋、ＣＯ２＋、ＣＯ＋、Ｃ２＋、Ｏ２＋、Ｎ２＋等の正イオン３０ａは負極のメッシュ状電極２６に吸引され、また、電子３０ｂは正極の棒状電極２７に吸引され、それぞれ電極にトラップされ、また、ススも帯電して電極に吸着される。この結果、プラズマ生成装置２１から排出されるガスは有害物質等を除去したものとなる。
【００６６】
メッシュ状電極２６や棒状電極２７を含むイオン除去装置は、清掃、交換のため、スライドさせて取り外し可能であることが望ましい。
【００６７】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。この実施の形態は、排出するガス中のオゾンを除去する構成を有するものである。
【００６８】
図７は、本発明の第４の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略側断面図である。
【００６９】
本実施の形態のプラズマ生成装置３１は、円筒管であるケーシング３２内に、円筒状の電極３３と、棒状の電極３４とを備えて構成される。
【００７０】
円筒状電極３３はケーシング３２の内面にて支持され、棒状電極３５は支持蓋３５によって支持される。支持蓋３５には作動ガスを流入させるための穴が開けてあり、また、中心に棒状電極３４を指示する支持部を有している。
【００７１】
円筒状電極３３と棒状電極３４との間には、高圧発生器３９からの高電圧が印加される。高圧発生器３９は、たとえば直流３Ｖの電池である電源４０からの電圧を高圧に変換して円筒状電極３３と棒状電極３４との間に供給するものであり、たとえばイグナイター、イグニッションコイルによって構成される。
【００７２】
円筒状電極３３内を通過したガスは、配管３６の管路に設けられたポンプ３８によって外部に吸出される。また、配管３６の管路にはスポンジ３７が設けられている。
【００７３】
円筒状電極３３と棒状電極３４との間の放電によってプラズマ化されたガス中には作動ガスの種類によってオゾンが含まれるが、外気に排出される際にはこのオゾンは除去されるのが望ましい。本実施の形態では、円筒状電極３３にてオゾンを分解する手段と、スポンジ３７にてオゾンを分解する手段を提供する。
【００７４】
円筒状電極３３は、図７に示すように、円筒の直径（内径）をａ、長さをｂとしたとき、内部でオゾンを分解するように、ｂ＞ａであることが望ましい。円筒状電極３３長さｂをガスが通過する際にオゾンが分解される。
【００７５】
また、円筒状電極３３を通過した後にもオゾンが残っていた場合は、そのオゾンは吸着部材３７に吸着される。スポンジ３７はたとえばＰＨ８以上のアルカリ性の水を含ませたものであり、ガスがこのスポンジ３７を通過する際にはアルカリ性の水によってオゾンが分解される。
【００７６】
以上の構成によって、本実施の形態によれば排出ガス中からオゾンを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示した５つの針状電極７とリング状電極６との組み合わせのうちの１つによって電気力線の様子を示す概略側面図である。
【図３】図１に示した針状電極７とリング状電極６との間に印加する印加電圧と、針状電極７とリング状電極６との間の放電電流との関係を示す放電電流特性の図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略側断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略部分断面斜視図である。
【図６】図５に示した実施の形態において、メッシュ状電極２６や棒状電極２７に有害物質等を吸着させる状態を説明する概略側面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略側断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  プラズマ生成装置
２  ケーシング
３、４  円板
５  ネジ棒
６  リング状電極
７  針状電極
８  直流電源回路
【図１】
2006269095.tif 000003
【図２】
2006269095.tif 000004
【図３】
2006269095.tif 000005
【図４】
2006269095.tif 000006
【図５】
2006269095.tif 000007
【図６】
2006269095.tif 000008
【図７】
2006269095.tif 000009